Bằng cách sử dụng xung laser để cải tiến vật liệu điện cực MXene, các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ King Abdullah đã đạt được những bước tiến lớn trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng tái tạo. MXene truyền thống bị phân hủy theo thời gian, chủ yếu là do sự hình thành oxit molypden. Tuy nhiên, với sự ra đời của các chấm nano được xử lý bằng laser, MXene đã cho thấy khả năng lưu trữ lithium mạnh mẽ hơn và tốc độ sạc nhanh hơn. Đáng chú ý, trong các thử nghiệm, vật liệu này đã đạt được khả năng lưu trữ tăng gấp bốn lần, tương đương với than chì mà không hề thấy bất kỳ sự giảm dung lượng nào.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng xung laser để tăng cường đặc tính điện cực của MXene, tạo ra bước đột phá tiềm năng trong công nghệ pin sạc có thể vượt qua pin lithium-ion truyền thống.
Khi xã hội toàn cầu chuyển sang các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và năng lượng gió, nhu cầu về pin sạc hiệu suất cao ngày càng tăng. Những loại pin này rất quan trọng để lưu trữ năng lượng từ các nguồn năng lượng tái tạo không liên tục. Mặc dù pin lithium-ion ngày nay hoạt động hiệu quả nhưng vẫn còn nhiều điều cần cải thiện. Phát triển vật liệu điện cực mới là một cách để cải thiện hiệu suất của chúng.
Zahra Bayhan đang phát triển pin chứa MXenes, có thể thay thế than chì trong một số loại pin do tính dẫn điện tuyệt vời của chúng. Nguồn hình ảnh: ©2023KAUST;AnastasiaSerin
MXene: vật liệu điện cực đầy hứa hẹnTAGPH 62
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ King Abdullah (KAUST) đã trình diễn cách sử dụng xung laser để thay đổi cấu trúc của vật liệu điện cực thay thế đầy hứa hẹn được gọi là MXene, từ đó cải thiện công suất năng lượng và các đặc tính quan trọng khác của nó. Các nhà nghiên cứu hy vọng chiến lược này sẽ giúp thiết kế vật liệu cực dương tốt hơn trong pin thế hệ tiếp theo.
Graphite chứa các lớp nguyên tử carbon phẳng và trong quá trình sạc pin, các nguyên tử lithium được lưu trữ giữa các lớp này, một quá trình được gọi là xen kẽ. MXene cũng chứa các lớp có thể chứa lithium, nhưng các lớp này được làm từ các kim loại chuyển tiếp như titan hoặc molypden kết hợp với các nguyên tử carbon hoặc nitơ, khiến vật liệu có tính dẫn điện cao. Bề mặt của các lớp này còn chứa các nguyên tử khác như oxy hoặc flo. MXene làm từ cacbua molypden có khả năng lưu trữ lithium đặc biệt tốt, nhưng hiệu suất của chúng giảm nhanh chóng sau các chu kỳ sạc-phóng lặp đi lặp lại.
Giải quyết các vấn đề suy giảm hiệu suất
Nhóm nghiên cứu, dẫn đầu bởi Husam N. Alshareef và nghiên cứu sinh tiến sĩ Zahra Bayhan, đã phát hiện ra rằng sự suy giảm này là do những thay đổi hóa học trong cấu trúc MXene gây ra tạo thành oxit molypden.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các xung laser hồng ngoại để tạo thành các "chấm nano" nhỏ cacbua molypden trong MXene, một quá trình được gọi là ghi chép bằng laser. Những chấm nano này rộng khoảng 10 nanomet và được kết nối với lớp MXene thông qua vật liệu carbon.
Có một số lợi ích khi thực hiện việc này. Đầu tiên, các chấm nano cung cấp thêm dung lượng lưu trữ cho lithium và tăng tốc quá trình sạc và xả. Xử lý bằng laser cũng làm giảm hàm lượng oxy trong vật liệu, giúp ngăn ngừa sự hình thành oxit molypden có vấn đề. Cuối cùng, sự kết nối mạnh mẽ giữa các chấm nano và các lớp giúp cải thiện độ dẫn điện của MXene và ổn định cấu trúc của nó trong quá trình tích điện và phóng điện. Điều này cung cấp một cách tiết kiệm và nhanh chóng để điều chỉnh hiệu suất pin.
Giáo sư Zahra Bayhan và Husam Alshareef tin rằng việc viết nguệch ngoạc bằng laser có thể được sử dụng như một chiến lược chung để cải thiện hiệu suất của các MXene khác. Nguồn hình ảnh: ©2023KAUST;AnastasiaSerin
Kết quả đầy hứa hẹn và các ứng dụng trong tương lai
Cực dương làm từ vật liệu khắc laser này đã được thử nghiệm trong 1.000 chu kỳ sạc-xả trong pin lithium-ion. Đáng chú ý, vật liệu được bổ sung thêm các chấm nano đã tăng khả năng lưu trữ điện lên gấp 4 lần so với MXene chưa biến tính, gần như đạt công suất cực đại theo lý thuyết của than chì. Hơn nữa, vật liệu được biến đổi bằng laser vẫn duy trì được công suất tối đa trong suốt giai đoạn thử nghiệm.
Nhóm nghiên cứu tin rằng việc ghi chép bằng laser có thể được sử dụng như một chiến lược chung để cải thiện hiệu suất của các MXene khác. Điều này có thể giúp phát triển một thế hệ pin sạc mới, chẳng hạn như sử dụng kim loại rẻ hơn và dồi dào hơn lithium. Alshareef giải thích: “Không giống như than chì, MXenes cũng có thể kết hợp các ion natri và kali”.